陀螺我們小時候都玩過，只要給予它一些啟動的能量，就能在一個平面上轉動很久。其實早在上世紀五十年代，瑞士的工程師就利用類似的原理，制造了一個電能驅動的大陀螺并用于儲存能量。這種飛輪儲能技術在過去的幾十年間有了長足的發(fā)展，并且一直具有很強大的生命力。
（來源：電影《盜夢空間》）
簡單來說，飛輪儲能是利用高速旋轉的飛輪將電能以動能形式儲存起來，在需要時飛輪反向帶動電機并輸出電能的能量儲存裝置。典型的飛輪儲能系統(tǒng)的基本結構如下圖所示, 主要由五部分組成：飛輪轉子、支撐軸承、高速電機、雙向變流器、真空室。
飛輪儲能裝置軸承的設計一般都使用非接觸式的磁懸浮軸承技術，主要為了減少空閑運轉時的損耗，提高飛輪的轉速以及飛輪儲能裝置的效率。同時電機和飛輪都被密封在一個真空容器內以降低運行時的空氣阻力。為了降低成本，也為了讓系統(tǒng)更加一體化，發(fā)電機和電動機通常公用一臺，通過軸承直接和飛輪連接在一起。由于飛輪的能量和轉速有關，充放過程中也伴隨著變速，所以飛輪和電網(wǎng)之間還必須通過變流器來連接。
（來源：華中大電氣研究生微信號）
飛輪儲能的優(yōu)點
和目前討論較多的化學能電池不同，飛輪儲能是用物理方法儲存電能，其大類下還有抽水蓄能和壓縮空氣儲能兩種。對比其他儲能技術，飛輪儲能主要有以下幾種優(yōu)勢：
1. 壽命長
使用壽命超過20年，循環(huán)壽命非常長，是目前所有儲能技術中壽命最長的技術之一。
2. 絕對能量密度和功率密度高
能量密度通常在15到100 Wh/kg之間，隨著新材料和新技術的發(fā)展，目前先進的飛輪儲能能量密度已經(jīng)超過了150 Wh/kg。功率密度根據(jù)電機大小及應用場景有很大差別，最高功率密度可以超過10 kW/kg。
3. 充放效率高
充放效率超過90%，超過幾乎所有化學電池的充放效率。
4. 適應性強
對工作溫度和運行環(huán)境沒有太大要求，適應性非常強。
應用于太空的飛輪儲能設備（來源：NASA）
5. 啟動速度快
啟動速度在毫秒級，在所有儲能系統(tǒng)中排名前列。
6. 無污染
飛輪儲能制造和運行過程中都沒有污染，環(huán)境友好。
飛輪（來源：www.energieleben.at）
7. 維護成本低
運行時幾乎沒有損耗，維護成本較低。
8. 模塊化
利用最新技術可以將飛輪的體積做得非常小，根據(jù)需要可以將許多小模塊連接在一起。
模塊化的飛輪儲能設備（來源：FactSheetmechanisch Schwungradspeicher）
飛輪儲能的缺點
當然飛輪儲能也有一些缺點：
1. 靜態(tài)損失較大
由于飛輪在充電狀態(tài)必須保持幾萬轉的高速旋轉狀態(tài)，自放電率高。一般每個充滿狀態(tài)下靜態(tài)損失超過10%/小時。
2. 相對能量密度低
由于大多數(shù)應用場景的功率密度要求較高，飛輪儲能一般只能保持幾秒到幾分鐘的放電，相對能量密度較低。
飛輪儲能的應用場景
可見，飛輪儲能的優(yōu)缺點明顯，有著其他儲能設備無法替代的特點。在這些特點下，飛輪儲能也已經(jīng)有了很多成熟的應用場景：
1. 不間斷電源
由于啟動速度快，穩(wěn)定可靠，飛輪儲能可以用于不間斷電源的構建。在對電能質量要求非常高的工廠和醫(yī)院，都可以利用飛輪儲能搭建UPS系統(tǒng)。目前，飛輪儲能在這一領域正在逐漸替代鉛酸電池。
2. 太空
在太空中，環(huán)境相對惡劣，飛輪儲能的應用場景更多。且飛輪儲能一次充電可以提供同重量化學電池的兩倍功率，同負載的使用時間為化學電池的3-10倍。同時，因為它的轉速是可測可控的，可以更精準方便地查看電量的多少。
3. 交通運輸
在不少交通工具中，飛輪儲能的應用已經(jīng)非常廣泛，在火車、公交和不少轎車的剎車以及啟動過程中，飛輪能夠平滑發(fā)動機的出力，節(jié)省燃料消耗。
4. 風電系統(tǒng)輔助電池
風電系統(tǒng)通常都有著間歇性大、發(fā)電不穩(wěn)定的特點，飛輪儲能能夠很好地平抑風電系統(tǒng)的不穩(wěn)定出力，讓風場的運行更平穩(wěn)，也能夠在未來直接通過風電場給用戶提供可靠的電源。
目前，飛輪儲能系統(tǒng)越來越多地得到行業(yè)的重視，很多技術正在逐漸從航空和軍事領域轉移到民用領域。在許多儲能系統(tǒng)的應用導致一系列的環(huán)境問題時，飛輪儲能的優(yōu)勢將具備更大的價值。
參考資料：
1．華中大電氣研究生微信號
2．Technologischerüberblick zur Speicherung von Elektrizit?t, ISEA RWTH Aachen
3．https://www.energie-experten.org/erneuerbare-energien/oekostrom/energiespeicher.html
